Erdöl aus Kohlendioxid

In den letzten 3 Teilen habe ich mich mit der Frage beschäftigt wie man Erdöl künstlich herstellen kann. Der ideale weg wäre es, wenn man es direkt aus Kohlendioxid herstellen könnte. Dann hätte man einen klimaneutralen Treibstoff. Wie in dem ersten Artikel dazu erläutert geht es nicht darum das gesamte Erdöl zu ersetzen. Es geht darum den Teil zu ersetzen, der auch in Zukunft essentiell notwendig ist: Für die Fertigung von Kunststoffen, Arzneimitteln und organischen Stoffen. Das sind 10 % der derzeitigen Gesamtmenge. Für den Ersatz der Funktion als Treibstoff, zur thermischen Verbrennung gibt es andere Alternativen, die eingeschlagen werden dürften, weil sie billiger sind als die hier vorgeschlagenen Wege.

Was sind die Herausforderungen? Es sind drei Dinge.

• Das erste: Kohlendioxid ist als Verbrennungsprodukt sehr stabil. Um es zu reduzieren (also die Oxidationszahl des Kohlenstoffs zu verringern) muss man dieselbe Energie aufbringen, die hineingesteckt wurde, als es durch Verbrennung entstand. Das bedeutet die Spaltung von Kohlendioxid verläuft nur bei hohen Temperaturen.
• Das zweite ist, dass verhindert werden muss, das dann nicht das (zuerst) entstehende Kohlenmonoxid wieder zurück reagiert und neues Kohlendioxid bildet. Dazu eignet sich am besten ein Reaktionspartner der noch lieber mit dem dabei freigesetztem Sauerstoff reagiert als der Kohlenstoff
• Und das dritte, und die wohl größte Einschränkung ist, dass dies nur gut unter Sauerstoffabschluss geht, das Kohlendioxid also angereichert werden muss von seinem natürlichen Gehalt in der Luft von 0,3 %.

Pflanzen haben dies hinbekommen. Sie bilden aus Kohlendioxid Kohlenhydrate – allerdings spalten selbst sie nicht das Kohlendioxid sondern das Wasser. Sie bauen dann das Kohlendioxid in Moleküle ein und reduzieren über Wasserstoffanlagerung in Stufen die Oxidationsstufen von +4 auf 0 (bei einem C-Atom in der Kette eines Zuckermoleküls). Wie ich schon erläutert habe, gäbe es auch hier die Möglichkeit die geringen Erträge (Relativ zum Energieverbrauch – nicht wenn man bedenkt was man nur zur Ernährung braucht) durch Kultivation von schnellwachsenden Organismen wie Algen unter optimalen bedingen zu erhöhen.

Doch wie geht es heute technisch? Es gibt zwei Verfahren. Das erste wird such zur Treibstoffproduktion auf dem Mars propagiert. Man benötigt dazu Wasserstoff:

Man kann Kohlendioxid mit Wasserstoff. In einem ersten Schritt erhält man daraus Kohlenmonoxid und Wasser in folgenden Schritten Methan und Wasser. Diese Methode ist nicht sehr neu. Sie ist etwa 100 Jahre alt und wird für einige Szenarien von Marslandungen propagiert. Nach den Basisreaktionen:

2 H₂ + C  → CH₄ + 75 kJ

C + O₂ → CO₂ + 394 kJ

H₂ + 1/2 O₂ → H₂0 + 285 kJ

wird die Reaktion

4 H₂ + CO₂ → CH₄ + 2 H₂O rund 252 kJ erfordern.

Man muss also Energie aufwenden um Methan zu erzeugen. Aber das ist klar, denn Methan hat eine Verbrennungsenergie von 890 kJ. Die Verfahrensführung ist kein Problem und heute schon im kleinen Maßstab möglich. Anders aber als auf dem Mars, wo man damit Methan für eine Startstufe generieren kann (Den Wasserstoff muss man zwar mitbringen, aber den Sauerstoff könnte man wieder aus dem Wasser und Kohlendioxid rückgewinnen, so dass nur 1/20 stel der Treibstoffmenge von der erde zum Mars gebracht werden muss) gibt es bei uns das Problem, dass die Atmosphäre nicht zu 96 % aus Kohlendioxid besteht und noch schlimmer: Der Sauerstoff eher mit dem Wasserstoff reagiert als das er Methan bildet.

Das bedeutet, dass man Kohlendioxid anreichern muss. Technisch gesehen scheint dies mit vertretbarem Aufwand heute nur möglich, wenn es schon höher konzentriert ist, also bei den Abgasen von Kraftwerken.

Da komme ich zur Frage von Martin, wobei ich sagen muss, ich kann sie nicht so richtig beantworten. Ich bin ja nicht der Experte im technischen Bereich, mein Blickwinkel ist daher meist auf die Chemie und Physik gerichtet. Glaube ich dem Wikipedia Artikel zur Kohlendioxidabtrennung (CO₂-Sequestrierung“) so sinkt der Wirkungsgrad eines normalen Kraftwerks um 10 % bei Kohlendioxid Abtrennung, was einem 30-50 % höheren Kohlenverbrauch (je nach Technologie) entspricht. Gehe ich auf S.10 dieses Vortrags, so haben Kraftwerke mit integrierter Kohlevergasung (IGCC = Integrated Gasification Combined Cycle) um 11 % niedrigere Wirkungsgrade als ein Kombikraftwerk.

So einfach ist es also nicht. In jedem Fall dürfte klar sein, dass in jedem falle eine ganze Menge der Primärenergie so verloren geht. Auch für das Gewinnen von Wasserstoff braucht man Energie, denn dazu braucht man auch Strom.

Doch es gibt Alternativen. Ich habe ja schon mal über diese Forschung berichtet. Dir Grundlage ist: In einem Solarturm (einem Turm bei dem durch Spiegel das Sonnenlicht konzentriert wird) wird durch ein Material Kohlendioxid und Wasser reduziert. Es eignen sich dazu Metalle der Eisengruppe, wie Kobalt öder Eisen. Hier ist es Kobaltferrit in einer keramischen Matrix um die Oberfläche zu reduzieren. Das Kobaltferrit entzieht dem Wasser oder Kohlendioxid Sauerstoff und es entsteht Wasserstoff oder Kohlenmonoxid. Beim erneuten Erhitzen ohne Gas wird der Sauerstoff wieder freigesetzt. Auch dies ist von der Chemie nichts neues. Das neue scheint zu sein, dass die Forscher diesen Prozess kontinuierlich durchführen, also nicht nacheinander.

Das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff könnte man zu Methanol umsetzen, der wiederum transportabel ist. Bei entsprechender Verfahrensführung müsste auch Methan möglich sein.

Doch auch hier gibt es zwei offene Fragen. Das erste ist natürlich wie oben: Wo bekommt man das konzentrierte Kohlendioxid her? Denn normale Luft kann man wegen des geringen Gehaltes und hohen sauerstoffgehalt nicht einsetzen. Das zweite ist die Effizienz des Verfahrens – Ist es nicht einfacher mit der Hitze ein Gaskraftwerk anzutreiben oder auf der gleichen Fläche direkt Strom zu erzeugen (oder Parabolrinnenkollektoren zu verwenden).

Wenn, dann sehe ich den Nutzen eher in der Wasserstoffgewinnung: Wasser ist anders als Kohlendioxid weitgehend rein gewinnbar und leicht transportierbar. Den Wasserstoff könnte man dann wiederum transportieren und an einer Stelle einsetzen wo viel Kohlendioxid anfällt um dieses dort zu Methan zu reduzieren.